JP2008232919A - ガス検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学部を小さくして装置全体の小型化を図る。
【解決手段】ガス検知装置１は、測定雰囲気のガスを検知するためのレーザ光を測定光として出射する出射部８と、測定雰囲気への測定光の出射に伴って測定雰囲気から反射してくるレーザ光を反射測定光として集光する集光レンズ７と、集光レンズ７によって集光される反射測定光を受光する受光部９とが直方体形状の単一の筐体２に配設される。出射部８は、集光レンズ７後方下部の筐体２内の底面側に位置して集光レンズ７の集光エリア外に配設され、集光エリア外から測定光を出射する。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば都市ガスや化学プラント等の配管の劣化等に伴うガス漏洩を検出する際に用いられ、ガスの赤外線吸収特性を利用して光学的にガスを検知する携帯型のガス検知装置に関する。

例えばメタン、二酸化炭素、アセチレン、アンモニア等の気体には、分子の回転や構成原子間の振動等に応じて特定波長の光を吸収する吸収帯があることが既に知られている。この吸収帯を利用したガス検知装置では、所定距離（この距離によって測定光路長が確定される）隔てて光源部と受光部とを配置し、光源部の半導体レーザにより周波数変調されたレーザ光を測定対象ガスを含む雰囲気中に通し、その透過光を受光部の光検出器で受光してガスを検知し、このときの出力信号から測定対象ガスのガス濃度を測定している。また、下記特許文献１に開示されるように、上述した光源部と受光部を共通の筐体に収容して携帯できるように構成したガス検知装置も知られている。なお、光源部と受光部は同じ位置に配置されていても測定光を反射光として受光できれば測定光路長は確保される。

ここで、受光部の出力信号から検出される変調周波数の基本波位相敏感検波信号（以下、１ｆ信号と略称する）には、強度変調に起因する大きなオフセットが生じる。このため、特に微小なガス濃度を高感度で測定するには、１ｆ信号に比べてオフセットのかなり小さい２倍波位相敏感検波信号（以下、２ｆ信号と略称する）が用いられる。

実際にガス濃度を測定するにあたっては、測定ガス吸収線に合わせた波長の測定光が測定ガス雰囲気中を通ると、被測定ガスにより測定光が吸収され、ガス濃度光路長積に応じた強度で変調周波数の２倍の周波数の強度変化（２ｆ信号成分Ｉ_2f）による２ｆ信号が生成される。そして、この２ｆ信号の強度変化と元の変調周波数である１ｆ信号の強度変化（１ｆ信号成分Ｉ_1f）の比率Ｉ_2f／Ｉ_1fの値は、ガス濃度光路長積に比例するので、この値に係数をかければガス濃度になる。

ところで、この種の従来のガス検知装置として、下記特許文献１には、測定光の出射位置を確認しながら測定雰囲気のガス検知が行える携帯型のガス濃度測定装置が開示されている。図５は特許文献１に開示されるガス濃度測定装置と同等の構成による従来のガス検知装置の外観を示す斜視図、図６は図５のＢ−Ｂ線における筐体の部分断面図である。

図５及び図６に示すガス濃度測定装置（以下、従来装置と言う）５１は、全体が銃型形状をなし、一面に開口穴５２を有する有底筒型形状の筐体５３と、筐体５３の後端側に位置して筐体５３を把持する把持部５４とを備えている。筐体５３内には、半導体レーザユニット５５が組み込まれるとともに、筐体５３内の中心軸線上の奥部に受光器５６が配置される。半導体レーザユニット５５は、測定雰囲気のガスを検知するための測定光を出射する半導体レーザを含む半導体レーザモジュール５７と、レーザポインタ５８と、合波手段５９とからなる。筐体５３の開口穴５２には、測定光の出射に伴う測定雰囲気からの反射測定光を受光器５６に集光する集光レンズ６０が固設される。レーザポインタ５８は、逆Ｖ字状の支持部材６１によって筐体５３の集光レンズ６０後方に固定され、測定光の出射位置を確認するための可視光をガイド光として出射している。合波手段５９は、筐体５３の集光レンズ６０後方で受光器５６の光軸Ｌ−Ｌ上に配置され、測定光とガイド光とを受光器５６の光軸Ｌ−Ｌ上で合波して集光レンズ６０の中央のガラス窓６２から出射している。
特開２００５−１０６５２１号公報

しかしながら、上述した図５及び図６に示す従来装置５１では、測定光とガイド光とを略同軸上で出射するため、測定光とガイド光とが集光レンズ６０の集光エリア内の受光器５６の光軸Ｌ−Ｌ上で合波するようにレーザポインタ５８が配置された構成となっている。このため、測定光の出射に伴う測定雰囲気からの反射測定光がレーザポインタ５８の支持部材６１によって遮られ、十分な光量の反射測定光を受光器５６に導くことができない。

そこで、集光レンズ６０が設けられる筐体５３の開口穴５２を極力大きく形成し、集光レンズ６０から十分な光量の反射測定光が受光器５６に集光されるようにしている。また、測定光とガイド光の出射位置が集光レンズ６０の中心（光軸Ｌ−Ｌ）上にあり、受光器５６との間の集光レンズ６０の焦点距離（光軸Ｌ−Ｌ上でレンズ中心から受光器５６の受光面までの距離）が短いと、反射測定光を集光レンズ６０によって受光器５６に集光する際に、多くの反射測定光がレーザポインタ５８及び支持部材６１によって遮られてしまう。このため、受光器５６を筐体５３の奥部に配置し、集光レンズ６０の焦点距離を長く設定して、反射光の減衰量を少なくしている。その結果、図５及び図６に示す従来装置５１では、光学部である集光レンズ６０の外径及び厚さが大きくなるとともに焦点距離も長くなってしまい、携帯型にも関わらず装置全体が大型化するという問題があった。また、図５及び図６の従来装置５１では、レーザポインタ５８の配置位置も、集光レンズ６０から受光器５６に集光される反射測定光を極力遮らないように集光レンズ６０と受光器５６との間で集光レンズ６０寄りに制限されるという問題があった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、光学部を小さくして装置全体の小型化を図ることができるガス検知装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載されたガス検知装置は、測定雰囲気のガスを検知するためのレーザ光を測定光として出射する出射部８と、
前記測定雰囲気への前記測定光の出射に伴って前記測定雰囲気から反射してくるレーザ光を反射測定光として集光する集光レンズ７と、
該集光レンズによって集光される前記反射測定光を受光する受光部９とが直方体形状の単一の筐体２に配設されたガス検知装置１であって、
前記出射部は、前記筐体の前記集光レンズによる集光エリア外に配設され、該集光エリア外から前記測定光を出射することを特徴とする。

本発明の請求項２に記載されたガス検知装置は、請求項１のガス検知装置において、
前記出射部８は、前記測定光の出射位置を確認するための可視光をガイド光として前記測定光とともに前記集光エリア外から出射することを特徴とする。

本発明に係るガス検知装置によれば、集光レンズによる集光エリア外から測定光（測定光及びガイド光）を出射するように出射部が筐体に組み込まれるので、光学部である集光レンズを小さく構成でき、装置全体の小型化が図れ、出射部の設計の自由度も増す。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら具体的に説明する。図１は本発明に係るガス検知装置の外観を示す斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線における筐体の部分断面図、図３は図２における出射部及び受光部が配設された放熱器の平面図、図４は本発明に係るガス検知装置のブロック構成図である。

本発明に係るガス検知装置は、例えば都市ガスや化学プラント等のガス配管の劣化等に伴うガス漏洩を検出する際に携帯可能に用いられ、ガスによるレーザ光の吸収を利用して光学的にガスを検知している。

図１に示すように、本例のガス検知装置１は、利用者が携帯して操作が可能な大きさの直方体形状の単一の筐体２を本体としている。図１及び図２に示すように、筐体２の長手方向の一面には、上方寄りに矩形状の開口穴３が形成されている。この開口穴３には、後述する集光レンズ７が固設されている。また、図１及び図２に示すように、開口穴３の下部には、２つの円形状の窓穴４（４ａ，４ｂ）が並設して形成されている。各窓穴４ａ，４ｂには、表面に例えばＡＲコート（Anti-Reflection Coat）等の無反射防止処理が施されたガラス材からなる保護板５（５ａ，５ｂ）が固設されている。さらに、これら開口穴３及び窓穴４が形成された面寄りの筐体２の底面の開口部には、放熱フィン６ａが外に露出した状態で放熱器６が固設されている。この放熱器６上には、後述する出射部８が配設される。

そして、筐体２には、図４に示すように、集光レンズ７、出射部８、受光部９、電気変換部１０、操作入力部１１、制御部１２、表示部１３が設けられている。なお、図１や図２に示すように、筐体２において、開口穴３及び窓穴４が形成された面と反対側の面側には、各部に駆動電源を供給するための電源として電池１４を収容した電池ボックス１５が着脱可能に設けられている。

集光レンズ７は、筐体２の開口穴３に固設され、出射部８から測定雰囲気に向けての測定光の出射に伴って測定雰囲気から反射してくる反射測定光を受光部９の受光面に集光している。

具体的に、集光レンズ７は、アクリル樹脂からなる非球面フレネルレンズで構成され、透過ロスを低減させるために厚さ１ｍｍと薄く形成されており、アクリルの透過率が約７０％、外形が３０ｍｍ×４０ｍｍ、焦点距離（光軸Ｌ−Ｌ上でレンズ中心から受光部９の受光面までの距離）が４０ｍｍである。なお、図１の例では、集光レンズ７を矩形状としているが、円形状にすることもできる。

出射部８は、図２〜図４に示すように、検知対象の測定雰囲気に測定光を出射する測定光出射部８ａと、測定光の出射位置を確認するためのガイド光を出射するガイド光出射部８ｂとからなる。なお、出射部８は、測定光出射部８ａのみの構成としても良い。

測定光出射部８ａは、所定ガス特有の吸収線に合致した波長（検知対象となるガスの吸収線波長）のレーザ光を測定光として、制御部１２の制御により、検知対象の測定雰囲気（例えばガス配管等の反射物）に出射している。この測定光出射部８ａは、例えば前述した特許文献１（特開２００５−１０６５２１号公報）にも開示されるような周知の半導体レーザモジュールで構成される。その構成の一例について説明すると、半導体レーザモジュールは、複数対の電極を有する箱型のバタフライ型ケース本体を基部とし、このケース本体の一面に貫通穴が形成され、貫通穴にガラス等の出射窓が設けられている。そして、半導体レーザモジュルは、発振波長が測定波長に制御されて周波数変調されたレーザ光を前後両面から発光し、前方の面から出射されるレーザ光を測定光とし、後方の面から出射されるレーザ光を参照光とする半導体レーザ、測定光を平行光にコリメートするコリメートレンズ、半導体レーザへの反射光の戻りを抑圧する光アイソレータ、半導体レーザの温度を制御するペルチェ素子（温度制御素子）、波長安定化用ガスが封入されたガスセル、参照光を受光検出するフォトダイオード（受光器）、半導体レーザの温度を検出するサーミスタ（温度計測素子）がケース本体内に収容され、各光学部品間の光軸調整がなされて気密封止される。

ガイド光出射部８ｂは、発振波長が可視光領域（４００〜７２０ｎｍ）にある可視光レーザで構成され、制御部１２の制御により、測定光出射部８ａが出射する測定光の出射位置を目視で確認しながら測定雰囲気の目的位置に測定光を導くための可視光をガイド光として出射している。

これら測定光出射部８ａとガイド光出射部８ｂとは、図２に示すように、反射測定光の集光の妨げにならない位置として、筐体２内の底面側で保護板５ａ，５ｂの後方近傍に位置して放熱器６上に配設される。

すなわち、出射部８は、集光レンズ７による集光エリア（集光レンズ７が集光した反射測定光を受光部９に集光する領域）外の位置から測定光やガイド光を出射するように筐体２内に配設すれば良い。本例では、図２に示すように、集光レンズ７と受光部９との間で集光エリア外の筐体２の底面側に配設した構成であるが、集光レンズ７と受光部９との間で集光エリア外の筐体２のどこにでも配設することができる。

また、測定光出射部８ａとガイド光出射部８ｂとは、出射角度を集光レンズ７の中心軸（光軸Ｌ−Ｌ）側に所定角度傾けるのが好ましい。具体的には、出射角度を集光レンズ７の中心軸（光軸Ｌ−Ｌ）側に５ｍｒａｄ程傾け、例えば５０ｃｍ〜１ｍ程度の近距離測定時に受光部９の受光レベルの向上を図っている。

受光部９は、例えばフォトダイオードで構成され、受光面中心が集光レンズ７の焦点距離に位置し、測定光出射部８ａから測定雰囲気への測定光の出射に伴って測定雰囲気から反射して集光レンズ７によって集光される反射測定光を受光し、受光した反射測定光による測定光信号を電気変換部１０に出力している。また、受光部９は、受光面径を例えばφ１ｍｍと小さくすることで、ノイズレベルの低減とコスト低減を図っている。

電気変換部１０は、プリアンプで構成され、受光部９で検出する１ｆ信号と２ｆ信号とが測定対象ガス濃度範囲で同等の検出レベルになるように、増幅度が１ｆ信号、２ｆ信号それぞれ最適な増幅度に設定されている。この電気変換部１０は、受光部９から検出出力される測定光信号の受光電流を受光電圧に変換し、さらに設定された増幅度で増幅して制御部１２に出力している。

操作入力部１１は、筐体２に設けられて利用者が直接操作する操作キーや操作ボタン等で構成され、測定雰囲気のガス検知の開始や停止の指示入力の他、ガス検知に関する各種設定や警報を出力するアラームレベルの設定等を行っており、これら指示入力や設定情報を制御部１２に入力している。

制御部１２は、ガス検知に関わる処理を統括制御するもので、発光制御部１２ａ、濃度演算部１２ｂ、表示制御部１２ｃを備えている。

発光制御部１２ａは、操作入力部１１からの指示入力に基づき、測定光出射部８ａからの測定光の出射と、ガイド光出射部８ｂからのガイド光の出射とを各々制御している。濃度演算部１２ｂは、電気変換部１０で増幅された測定光信号を信号処理して１ｆ信号と２ｆ信号とを位相敏感検波し、この位相敏感検波された２ｆ信号の強度変化（２ｆ信号成分Ｉ_2f）と１ｆ信号の強度変化（１ｆ信号成分Ｉ_1f）との比率Ｉ_2f／Ｉ_1fの値に所定の係数を掛け合わせてガス濃度光路長積を演算している。

表示制御部１２ｃは、操作入力部１１からの設定情報に基づき、濃度演算部１２ｂの演算によって得られるガス濃度光路長積に関する表示、アラームレベルに関する表示等を数百ミリ秒周期（例えば５００ミリ秒周期）で逐次書き換えて行うべく表示部１３の表示を制御している。

表示部１３は、表示制御部１２ｃの制御により、ガス濃度光路長積に関する表示、アラームレベルに関する表示を含む各種表示を行っている。

このように、本例のガス検知装置１は、集光レンズ７による集光エリア外から測定光（測定光及びガイド光）を出射するように出射部８が筐体２に組み込まれている。これにより、集光レンズ７を小さくでき、装置全体の小型化を図ることができる。しかも、出射部８は、集光レンズ７の集光エリア外から測定光やガイド光が出射される位置であれば良いので、図５及び図６に示す従来装置５１と比較して、配置位置の幅が広がり、出射部８の設計の自由度も増す。

ここで、本例のガス検知装置と図５及び図６に示す従来装置５１とを具体的数値例を示して比較する。まず、図５及び図６に示す従来装置５１の構成では、集光レンズ６０として、厚さ２ｍｍ、外形直径９５ｍｍ、焦点距離１６８ｍｍを用いており、受光器５６の受光面径がφ２ｍｍである。これにより、従来装置５１の外形寸法は、幅２５０ｍｍ（図５のＤ２に相当）、奥行き１１２ｍｍ（図５のＷ２に相当）、高さ２４８ｍｍ（図５のＨ２に相当）となっている。

これに対し、本例のガス検知装置１は、集光レンズ７として、厚さ１ｍｍ、外形３０ｍｍ×４０ｍｍ、焦点距離４０ｍｍを用いることができ、受光部９の受光面径もφ１ｍｍである。これにより、本例のガス検知装置１の外形寸法は、幅１７５ｍｍ（図１のＤ１に相当）、奥行き４０ｍｍ（図１のＷ１に相当）、高さ７０ｍｍ（図１のＨ１に相当）となっている。

以上の数値比較からも明らかなように、本例のガス検知装置１は、図５及び図６に示す従来装置５１と比較して、受光部９の受光面径を含め、集光レンズ７を、厚さ、外形、焦点距離の全ての要素において小さくすることができる。その結果、装置全体の外形寸法が小さくなり、小型化を図ることができる。

本発明に係るガス検知装置の外観を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ線における筐体の部分断面図である。 図２における出射部及び受光部が配設された放熱器の平面図である。 本発明に係るガス検知装置のブロック構成図である。 特許文献１に開示されるガス濃度測定装置と同等の構成による従来のガス検知装置の外観を示す斜視図である。 図５のＢ−Ｂ線における筐体の部分断面図である。

符号の説明

１ ガス検知装置
２ 筐体
７ 集光レンズ
８ 出射部
８ａ 測定光出射部
８ｂ ガイド光出射部
９ 受光部
１０ 電気変換部
１２ 制御部

Claims (2)

1. 測定雰囲気のガスを検知するためのレーザ光を測定光として出射する出射部（８）と、
   前記測定雰囲気への前記測定光の出射に伴って前記測定雰囲気から反射してくるレーザ光を反射測定光として集光する集光レンズ（７）と、
   該集光レンズによって集光される前記反射測定光を受光する受光部（９）とが直方体形状の単一の筐体（２）に配設されたガス検知装置（１）であって、
   前記出射部は、前記筐体の前記集光レンズによる集光エリア外に配設され、該集光エリア外から前記測定光を出射することを特徴とするガス検知装置。
2. 前記出射部（８）は、前記測定光の出射位置を確認するための可視光をガイド光として前記測定光とともに前記集光エリア外から出射することを特徴とする請求項１記載のガス検知装置。

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